Advanced Functional Materials:插层化学调控层状三氧化钼材料钠离子嵌入/脱出动力学

α-MoO3是一种重要的层状过渡金属氧化物电极材料,它具有独特的层状结构,被认为是一种很有前途的Li/Na离子存储材料。然而,MoO3(6.92 Å)的层间间距较小,电导率差,往往导致扩散动力学缓慢以及差的循环稳定性。

广东工业大学李成超教授针对这一问题开发了一种插层化学策略,利用铋硫醇分子特有的共轭双键以及巯基基团以稳定快速充放电过程中的层结构破坏。并且,增大的层间距有效改善了Na+的嵌入/脱出动力学。电化学性能结果显示,优化后的MoO3电极在0.2 A g-1下可以提供256 mAh g-1的高容量,并且在5 A g-1的大倍率下经过1200次循环后仍能保持105 mAh g-1的高容量。此外,优化后的MoO3负极与Na3V2(PO4)2O2F正极匹配组装的全电池,在0.2 A g-1时,经过100次循环后仍能提供130 mAh g-1的高容量且容量保持率高达99.2%, 优异的倍率性能也证明了其潜在的可应用性。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202001708)上。

结果表明,MoO3的层间距从6.92 Å逐渐增大到10.40 Å,层间铋硫醇(DMcT)分子增强了层间的结构稳定性。综合电化学表征和密度泛函理论(DFT)计算证明,插层铋硫醇(DMcT)分子显著增强了电子电导率,降低了扩散能垒(0.82 eV→0.53 eV),并通过共轭双键有效屏蔽了Na+和MoO3主体之间的静电相互作用,且具有较低较低的反应内阻和电荷转移电阻,从而使得Na+的嵌入/脱出动力学得到显著改善。并且,不同循环全输后的非原位HRTEM图像和原位XRD图谱表征显示在整个充放电电过程中其形貌结构保持完整,没有被破坏或电极粉化现象,进一步证明了这种具有大的层间距的结构的稳定性。基于这些优点,优化后的MoO3表现出优异的倍率性能以及出色的大电流循环稳定性。更重要的是,组装的全电池也显示出优异的电化学性能,这进一步证明了其具有广阔的应用潜力。该研究对于利用插层化学制备具有高倍率性能和长循环寿命的钠离子电池负极材料具有重要意义。